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열E부문 탄소중립 ‘히트펌프’ 역할 조명

기계연, ‘2022 글로벌 기계기술 포럼’ 개최
전기화·E효율향상·탄소저감 히트펌프 각광



세계적인 이상고온과 기상이변으로 인한 탄소중립 달성의 중요성이 강조되는 가운데 열에너지에 대한 역할을 논의하는 자리가 마련됐다. 

한국기계연구원(원장 박상진)은 9월21일 국회박물관에서 ‘탄소중립 달성의 열쇠, 열에너지’를 주제로 ‘2022 글로벌 기계기술 포럼’을 온·오프라인 동시 개최했다.

이날 행사는 과학기술정보통신부와 국가과학기술연구회의 후원으로 기계연과 김영식 국민의힘 국회의원, 이상민 더불어민주당 국회의원, 조승래 더불어민주당 국회의원 등이 공동주최했으며 박상진 원장의 개회사를 시작으로 △환영사 △축사 △기조연설(손정락 산업통상자원부 R&D전략기획단 MD) △세션 1: 히트펌프기술 글로벌 동향(스테판 렌즈 IEA HPT TCPs 의장, 오세기 LG전자 부사장) △세션 2: 열에너지 글로벌 로드맵(브라이언 매시슨 EU 열에너지 로드맵 프로젝트 코디네이터, 윤석호 기계연구원 열에너지솔루션연구실 실장) △패널토의 등 순으로 진행됐다. 

박상진 원장은 개회사를 통해 “세계적인 화두인 탄소중립을 다른 각도에서 짚어보고자 ‘탄소중립 달성의 열쇠, 열에너지’라는 주제로 글로벌 기계기술포럼을 개최했으며 최근 가을 태풍이 많은 피해를 야기하는 등 기후위기가 점점 우리 삶을 위협하고 있는 상황”이라며 “기후위기를 극복하기 위해서 모든 나라가 많은 노력을 하고 있으며 우리나라도 2050 탄소중립을 선언하고 탄소중립 기본법을 제정하는 등 온실가스 배출저감 노력을 지속하고 있다”고 밝혔다. 

이어 “전 세계 에너지사용량 중 절반이 산업현장, 생활에서 열에너지로 소비되고 있으며 우리나라도 1/3의 에너지가 열에너지형태로 소비되고 있다”라며 “탄소중립을 완성하기 위해서는 이러한 열에너지를 보다 효율적으로 얻을 수 있는 방법을 모색해야 하며 기계연은 열에너지분야 초격차 기술력을 확보해 우리나라 탄소중립에 기여할 수 있도록 할 것”이라고 덧붙였다. 

이상민 더불어민주당 국회의원은 환영사를 통해 “기후변화 또는 바이러스, 에너지전쟁, 원자재공급 등 복합적인 위기상황들이 먼 미래의 과제가 아니라 우리가 당면한 현안들이며 이를 극복하지 못하면 인류 전체에 재앙으로 번질 수 있다”라며 “현재까지의 방식을 고수하기 보다 시대를 변혁할 정도의 해법을 마련해야 하는 절박한 상황”이라고 말했다. 

이어 “글로벌 기계기술 포럼의 주제인 ‘탄소중립 달성의 열쇠, 열에너지’라는 주제는 인류에게 매우 중요한 의제가 될 것이고 다양한 성취가 창출되길 기대하고 있다”라며 “다양한 연구자들이 그린 비전과 목표를 이룰 수 있도록 뒷받침할 것”이라고 덧붙였다. 

조승래 더불어민주당 국회의원은 “기후변화에 대응하는 핵심적인 수단으로 탄소중립을 채택하고 있으며 이를 달성하기 위한 법적근거가 탄소중립 기본법이 있다면 이를 실현하기 위한 기술개발을 촉진하고 지원하고 확산할 수 있는 법적근거는 기후변화 대응기술 촉진법”이라며 “우리가 기후변화에 대응하는 다양한 핵심적인 요소기술들이 있으며 어느 하나만 발전되기보다 전반적으로 요소기술들이 발전하고 진화돼야 한다”고 밝혔다. 

이어 “서로가 힘을 모으고 전 세계 연구자들이 힘을 모았을 때 근본적 전환을 가능할 것으로 생각하며 이번 글로벌 기계기술 포럼이 좋은 논의의 장이 될 것으로 기대하고 있다”라며 “오늘 포럼에서 논의된 탄소중립과 관련된 비전이 우리 국민들뿐만 아니라 전 세계인들에게 영향을 주길 바란다”고 덧붙였다. 

김영식 국민의힘 국회의원은 “우리 기술 중에서도 기계분야는 우리경제에서 핵심적인 역할을 해왔으며 오늘 글로벌 기계기술 포럼의 주제는 열로 우리는 화석연료를 사용하는 기계를 활용해왔으나 문제점이 지속 발견되고 있다”라며 “이러한 문제를 해결하기 위해서 그린에너지를 확산하고 있으며 함께 살아가야 할 지구를 어떻게 보전할 것인가에 대해 기계분야의 역할이 굉장히 많을 것”이라고 말했다. 

이어 “기계공학인들이 활동할 수 있는 영역이 넓어진다면 대한민국의 경쟁력을 더욱 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있으며 오늘 토의된 내용이 우리 미래를 열어가는데 역할을 할 것으로 기대한다”고 밝혔다. 

김복철 국가과학기술연구회 이사장은 축사를 통해 “글로벌 기계기술 포럼은 그동안 4차 산업혁명, 국방, 미세먼지, 로봇, 수소에 이르기까지 급변하고 있는 기계기술분야, 연관분야의 시대적 아젠다를 선제적으로 다뤄왔다”라며 “탄소중립을 제대로 이루기 위해서는 열에너지의 탄소배출을 줄일 수 있는 혁신적 기술을 개발하고 완성도를 높여가는 것이 과제”라고 강조했다. 

이어 “우리에게 남은 시간이 지금도 계속해서 줄어들고 있으며 우리 다음 세대에게 건강한 지구를 물려줄 수 있는 유일한 방법은 탄소중립으로 오늘 포럼의 주제는 아무리 강조해도 지나치지 않다”고 덧붙였다. 


열E분야 탄소중립 달성 핵심 ‘기술’
기조연설에는 손정락 산업부 R&D전략기획단 MD는 ‘열에너지 탄소중립 기술전략’을 주제로 발표를 진행했다. 

우리나라 에너지 수입의존도는 약 93%로 대부분 석탄, 석유, LNG 등 화석연료다. 또한 최종 에너지소비구조를 살펴보면 열에너지는 12%를 차지하고 있으나 이는 지역난방에 국한된 수치다. 가열목적으로 활용되는 에너지를 모두 더하면 최종 에너지소비 중 약 27%가 열에너지로 추정된다. 

산업부는 최종 에너지소비의 약 27%를 차지하는 열에너지의 탈탄소화 기술개발을 통해 2030 국가온실가스감축목표(NDC)와 2050 탄소중립 달성에 기여할 방침이다. 

이에 따라 400℃급 고온 히트펌프, 저온 신재생열에너지 활용, 섹터커플링 등의 기술확보를 추진하고 있으며 산업공정에서 발생하는 폐열을 효과적으로 활용할 수 있는 방안을 강구하고 있다. 

손정락 MD는 “온실가스 감축의 관건은 기술로 2030년까지는 현재의 기술을 최대한 활용하는 것이 중요하며 이후에는 새로운 혁신기술이 역할을 수행할 것”이라며 “열에너지 탈탄소화에 따라 총 1억8,430만톤의 온실가스 감축효과를 창출할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

다분야 적용 히트펌프기술 개발 필요
스테판 렌즈(Stephan Renz) IEA 히트펌프 기술협력프로그램 의장은 ‘탄소중립을 위한 히트펌프 기술개발 국제협력 현황’을 주제로 글로벌 히트펌프 동향과 연구현황에 대해 설명했다. 

IEA의 2021년 보고서에 따르면 건물부문 에너지믹스 중 전력은 2010년대비 2025년에 2배를 차지할 것으로 전망되며 대부분의 에너지수요가 전기로 대체될 것으로 예상된다. 이는 건물 냉난방을 히트펌프 등 전기화 기기가 담당한다는 것을 의미하며 건물부문 탄소배출 저감은 히트펌프에 사용되는 전력 또한 CO₂ 배출이 없어야 한다는 것을 나타낸다. 

건물부문뿐만 아니라 산업부문에서도 히트펌프는 탄소중립에 매우 중요한 역할을 수행할 전망이다. 다만 이를 위해서는 현재부터 2025년까지 매달 500MW에 달하는 히트펌프가 설치돼야 할 것으로 추산된다. 

난방, 급탕 등과 함께 냉방의 역할도 강조되고 있다. 지금으로부터 30~40년 후에는 냉방수요에 대응하기 위한 전력소비량이 2배에 달할 것으로 보이며 이에 따라 히트펌프의 냉방효율 개선이 시급해졌다. 

스테판 렌즈 의장은 “IEA의 히트펌프 기술협력프로그램은 탄소중립을 달성하기 위한 히트펌프의 역할에 주목해 세계 각국의 기술자와 함께 연구를 진행하고 있으며 다양한 성과를 도출하고 있다”라며 “앞으로는 섹터커플링, 에너지효율, 산업용, 냉각제습 등 다양한 히트펌프 기술을 개발할 계획”이라고 밝혔다. 

적용특성 반영 히트펌프 다양화
오세기 LG전자 부사장은 ‘냉난방공조산업에서의 히트펌프기술과 온실가스 저감’을 주제로 히트펌프기술의 진보와 온실가스 저감효과를 소개했다. 

세계 주요국들은 2050 탄소중립이라는 시대적 과제를 달성하기 위해 친환경 주거용 설비로 히트펌프를 주목하고 있다. 미국과 중국은 파격적인 보조금 정책으로 히트펌프를 확산하고 있으며 유럽의 난방시장에서도 히트펌프 점유율이 빠른 속도로 증가하고 있다. 

특히 유럽의 많은 국가들은 2025년부터 가스·기름보일러의 신규설치를 금지할 방침으로 프랑스는 올해부터 시행하고 있다. 

주요국 주거부문 히트펌프 확산이 빠르게 이뤄지고 있는 가운데 밀집주거형태가 특징인 우리나라에서는 히트펌프 적용이 한계가 있다. 히트펌프는 기존 보일러대비 시스템 구성이 복잡해 설비 설치면적이 크기 때문이다. 

오세기 부사장은 “히트펌프의 한계점을 극복하기 위해서는 고압력비 히트펌프기술을 확보해야 하며 계절적 특성을 고려해 한랭지에서도 난방성능을 유지할 수 있도록 운전범위 확대가 필요하다”라며 “산업부문에서도 히트펌프가 활용되기 위해서는 다양한 열원을 복합적으로 활용하는 히트펌프가 개발돼야 할 전망”이라고 밝혔다. 

전기화통한 탄소중립 중요성 강조
브라이언 메시슨(Brian Vad Mathiesen) 유럽 열에너지 로드맵 프로젝트 코디네이터는 ‘스마트 에너지시스템-100% 재생에너지 및 탈탄소화를 위한 다각적 분석’ 발표를 통해 에너지전환을 위한 EU와 덴마크사례 기반 연구성과를 공유했다. 

미래 에너지시스템은 에너지효율향상과 재생에너지 이용이 핵심이다. 재생에너지로의 다양한 전환방식이 있으며 일부는 경제성도 보장할 수 있다. 스마트 에너지시스템은 유연하고 경제적인 에너지저장옵션을 사용해 각 구역과 인프라 전반에 걸친 시너지효과를 창출할 수 있을 것으로 기대된다. 

또한 수요측면의 에너지효율은 유연한 수요 및 저장시스템과 결합되고 재생에너지와의 통합을 통해 증가시킬 수 있다. 이러한 성과를 창출하기 위해서는 전력망과 수요 외 타분야에서도 심도있는 연구가 필요하며 냉난방, 산업 및 수송부문 에너지전환에 보다 종합적인 접근이 필요하다. 

브라이언 메시슨 코디네이터는 “건물부문 에너지구조는 소비와 공급간 균형을 이루는 것이 중요하며 이를 위해 2050년까지 주상복합건물에 대한 열수요를 2020년대비 40% 감축해야 한다”라며 “산업부문에서는 수소사용을 촉진하고 대규모 히트펌프 및 직접 전기사용을 통한 산업의 전기화가 이뤄져야 하며 2030년까지 산업 내 재생에너지저장 점유율을 최소 50%로 높여야 한다”고 강조했다. 

열E소비 유연화…열네트워크 주목
윤석호 기계연 열에너지솔루션연구실 실장은 ‘한국기계연구원 열에너지 탄소중립 기술개발 현황 및 전략’을 주제로 기계연에서 진행해온 열에너지설비 효율향상, 열생산의 전기화 및 미활용 열에너지 활용기술을 소개했다. 

우리나라는 2050년까지 순배출량을 제로(0)를 달성해야 하며 이에 따라 화석연료 사용량을 혁신적으로 절감해야 한다. 국내 최종 에너지소비 중 약 27%가 열에너지로 추정되며 이는 열에너지를 생산, 수송, 저장, 소비하는 전 과정에서 소비되는 화석연료를 줄여야만 우리나라 탄소중립 달성이 성공할 수 있다는 것을 의미한다. 

단기적으로는 열에너지설비의 효율을 향상시켜 소비를 줄이는 방법이 있으며 장기적으로는 화석연료를 사용하지 않는 재생에너지 발전량 증가에 맞춰 열에너지 생산설비를 전기화하는 방안이 있다. 

또한 생산, 소비와 함께 폐열과 미활용 열에너지의 이용률을 높이는 것도 필요하다. 

윤석호 실장은 “열에너지 이용률을 높이기 위한 방안으로 열네트워크가 있으며 열수요처에 열을 공급하고 폐열, 신재생열에너지 등이 네트워크와 연계하기 위해서는 히트펌프의 역할이 매우 중요하다”라며 “전기를 통해 열을 생산하는 방법도 있지만 열 그 자체를 그대로 활용하는 것도 필요하며 태양열, 지열, 수열 등 자연상태의 열을 활용할 수 있는 기술도 적절히 개발돼야 할 것”이라고 밝혔다. 

열E부문 탄소중립방안 다양화 필요
모든 발표가 종료된 후 이어진 패널토론에는 김민수 서울대 기계공학부 교수를 비롯해 △손정락 산업부 MD △오세기 LG전자 부사장 △윤석호 기계연 실장 △스테판 렌즈 의장 등이 참여했다. 



김민수 교수는 “석탄화력발전, 원자력발전 등은 발생열을 활용해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것처럼 우리는 에너지를 활용하는 과정에서 열을 전기로 전기를 열로 전환해 사용하고 있으며 전기를 열로 활용하는 방안으로 히트펌프가 강조되고 있다”라며 “또한 기존 연소를 통해 공급하는 열을 대체하기 위해 고온 히트펌프 등이 개발되고 있다”고 밝혔다. 

이어 “이러한 노력을 통해 열에너지 공급에 화석연료 활용이 점차 줄어들 전망이며 앞으로는 열을 얻을 수 있는 다양한 방안을 강구하는 것이 중요하다”라며 “에너지효율을 높여 소비량 자체를 감축하는 방안도 마련돼야 한다”고 덧붙였다. 

손정락 MD는 “현재 다양한 탄소중립 이슈가 등장하고 있으며 에너지의 탈탄소화는 효율향상, 전기화, 수소화 등을 통해 이뤄질 것으로 전망된다”라며 “산업부는 원전을 제외한 가장 우선적으로 고려하고 있는 사항이 에너지효율 향상이다”고 밝혔다. 이어 “효율향상과 함께 전기화를 달성할 수 있는 방안은 히트펌프 등 열에너지기술”이라고 덧붙였다. 

오세기 부사장은 “국가별 다양한 주거특성을 가지고 있으며 인구밀도가 높아 고밀도 주거환경을 가지고 있는 우리나라의 경우 히트펌프를 적용하기 불리한 환경”이라며 “전제조건을 우리나라 주거문화를 두고 주요국들에서 히트펌프 확산을 전개하는 방식을 면밀히 분석해 우리나라 특성에 맞는 히트펌프 보급방안을 마련하는 것이 중요하다”고 말했다.